Etude du stockage/déstockage cyclique de l’énergie thermique par Matériaux à Changement de Phase dans une enceinte rectangulaire

Abderrahmane El Hanafi1^{1}, Abdelhamid Kheiri1^{1}, Nicolas Blet1^{1}, Benjamin Remy1^{1}
⋆^{\star} : abderrahmane.el-hanafi@univ-lorraine.fr
1^{1} LEMTA, 2 Av. de la Forêt de Haye, 54500 Vandœuvre-lès-Nancy
Mots clés : simulation numérique, matériaux à changement de phase, Stockage/déstockage cyclique
Résumé :

Les systèmes de stockage de l’énergie Thermique (TES) sont utilisés pour stocker/déstocker la chaleur dans un large éventail d’applications qui présentent un comportement intermittent, comme les bâtiments, les systèmes solaires, ou certains systèmes industriels. Les matériaux à changement de phase (MCP) sont classiquement utilisés dans les TES afin d’augmenter leur capacité de stockage, mais ils influencent aussi de manière très significative leur comportement dynamique. Un TES avec MCP attaché à un système dynamique doit être dimensionné en particulier de manière à ce que sa constante de temps réponde à la dynamique des besoins de stockage et de déstockage de la chaleur. De nombreux paramètres influencent les performances thermiques des MCP et ils doivent être utilisés en fonction de leur plage de température de changement de phase afin de correspondre aux besoins de l’application ciblée.

Dans la littérature scientifique, les TES avec MCP ont été étudiés ces dernières années par des méthodes expérimentales et numériques le plus souvent en considérant la fusion du MCP dans une enceinte de forme généralement parallélépipédique et sous des conditions aux limites stationnaires fixes en température ou en flux. Peu d’études expérimentales ou numériques ont été réalisées avec des conditions aux limites instationnaires. En outre, beaucoup de ces investigations sont menées en configuration unidimensionnelle et en ne considérant que le mode conductif alors que la convection naturelle est négligée. Pourtant, certaines études ont établi que la convection libre joue un rôle clé dans le transfert de chaleur dans les MCP.

Dans le présent travail, un modèle numérique est proposé pour étudier le comportement dynamique d’un TES avec MCP en considérant une configuration 2D avec des conditions aux limites cycliques et en prenant en compte la convection libre. Le MCP utilisé est la paraffine RT42. La géométrie considérée est une enceinte parallélépipédique remplie de ce MCP avec une condition aux limites de température cyclique imposée sur un côté alors que les autres parois sont isolées. L’effet de l’amplitude et de la fréquence de la température imposée sont étudiés avec l’objectif d’optimiser la conception des TES à MCP fonctionnant en régime dynamique de charge et décharge de la chaleur. Des simulations numériques 2D sont réalisées en utilisant un modèle dit « enthalpie–porosité » et un code commercial de CFD. Ce modèle nous permet de déterminer les champs de températures et de vitesses dans le milieu, de suivre les mouvements de l’interface solide/liquide et d’étudier ainsi la réponse globale du système à toute excitation cyclique. Un dispositif expérimental dédié est en cours de montage et permettra de valider le modèle et d’étudier différentes configurations, avec en particulier une où des ailettes de différentes longueurs qui seront utilisées pour améliorer la dynamique du transfert de chaleur entre la source et le MCP.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-062

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